第5章其他微結構加工方法

吳豐順

材料學院Email:wufengshun163@163.comTel:027-877924022023/7/32主要內容5.1機械微加工5.2放電加工（EDM）5.3激光微加工2023/7/335.1機械微加工機械微加工最初是由德國FZK研究中心與MBB公司合作研制的，目的是能夠用亞毫米技術生產廉價的噴嘴，該噴嘴用于由同位素235U生產的濃縮氣體UF6。在本書中強調的微加工技術是由FZK研究中心研制用于生產微機械結構的新工藝，在工藝中采用成型微刀具對表面的薄膜結構和基底進行精加工。例如，微結構體可以采用微通道技術，用金屬薄膜的堆疊和焊接技術生產。機械微加工的最小尺寸可以達到幾個微米，金屬和合金也可以像塑料和半導體材科硅一樣成型。2023/7/345.1.1

生產過程與主要結構金屬薄片式的微結構，基本上可以用兩種精密金剛石刀具加工。圖5.1-1使用車床實現的微加工第一種：圖5.1-1是用車床加工的示意圖，金屬薄片被繞在一個安裝在車床主軸上的圓盤上，然后借助彈簧拉力拉緊，可調整式的微刀具被安裝在圓盤下面可滑動的支撐架上，使用CNC裝置控制支撐架和主軸，沿著平行于槽的方向，以微刀具的形狀切入薄片表面。2023/7/35使用圖5.1-1所示的矩形金剛石微刀具加工100μm厚的薄鋁片，切削寬度為85μm，深度是70μm，間距是115μm，剩余部分的厚度是30μm。照片如圖5.1-2所示。在圖中還可以看到原來的研磨痕跡和邊緣的毛刺，如果需要進一步加工除去毛刺，那么下一步使用平面切削金剛石微刀具就可以除去這些毛刺。圖5.1-2在圖5.1-1車床上所加工槽的縮微照片2023/7/36圖5.1-3是第二種薄片結構在高精度銑床上加工的示意圖。金屬薄片固定在高精度真空吸盤上，真空吸盤安裝在X-Y工作臺上，金剛石微刀具安裝在高速旋轉的主鈾上，金剛石微刀具的切削速度可以通過改變主鈾轉速調整，通過旋轉工作臺可以改變微結構的加工方向。通過改變金剛石微刀具的形狀可以加工矩形、三角形和半圓形槽。圖5.1-3使用高精度銑床實現的微加工2023/7/37圖5.1-4(a)是一個矩形金剛石微刀具的縮微照片，金剛石微刀具助切削寬度是100μm。圖5.1-4(b)所示的是楔形金剛石微型刀具．頭部楔形角為20o，切削深度為500μm。圖5.1-42023/7/38圖5.1-5微機械加工中生成的典型微結構使用圖5.1-4(b)所示的楔形金剛石微刀具，對平滑的黃銅表面進行十字交叉加工，結果形成如圖5.1-5所示的四棱錐，在這個樣品中，棱錐的高度是250μm，X方向和Y方向間距是100μm，每平方厘米排列有10000個微四棱錐，圓錐形的毛刺總是伴隨著這個成型的過程產生。2023/7/39使用金屬薄片結構的微結構體被用來構建并應用于各種場合，此外，塑料成型和電鍍也有大量的新應用。無論如何，微加工對于直槽的加工也是非常有用的，微結構也可以使用非常小的鉆頭和平底銑刀加工，鉆頭和平底銑刀作為成型刀具通常用來加工注射成型模和熱壓紋模。2023/7/310

圖5.1-6微型銑刀（a）使用硬金屬材料制造的銑刀，直徑大約是40μm（b）帶有50μm寬環型槽的微結構，剩余的環寬為10μm2023/7/311圖7所示是可能的制造復雜成型刀具的方法。圖5.1-7使用微機械制造技術制造的像成型刀具一樣的微結構2023/7/3125.1.2應用實例微型熱交換器微型反應器細胞培養的微型容器微型泵X射線強化屏2023/7/313工作于對流模式的微型熱交換器是正方體結構，由正方形的金屬薄片(也就是100μm厚的銅或不銹鋼薄片)堆疊而成，相鄰的金屬薄片旋轉90o，每個微型熱交換器由100個金屬薄片構成。這樣構成的微型換熱器大約有8000個微通道，有一半的通道構成液體流動的導熱通道，另一半通道吸收液體的熱量。熱交換器的面像鰭一樣，通道的面積大約為150cm2，容積為1cm3。隨后在真空室把這些疊在一起的薄片固定并焊接在一起，圖8是三個還沒有連接液體傳輸管道的不同尺寸的微型銅質熱交換器。1、微型熱交換器2023/7/314圖5.1-8銅質微型熱交換器的縮微照片最小的一個外部體積是1cm3，實際交換面積是150cm2。各種形式交換器的內部槽的尺寸完全相同2023/7/315用水測試這些熱交換器的性能，水源入口處的溫度是95oC，水流過交換器后，吸收熱量，溫度提高13oC。在兩個通道方向的流速是相同的，水流速度在0.25L/min和1.25L/min之間變化。圖5.1-9繪制的是相對于水流速度的熱交換和熱交換系數的實驗數據。在最高流速下大約可以實現20kw的熱交換，在規定的兩種液體之間平均溫度的差異是60K。這個結果相當于單位體積的熱交換系數為324W/(cm3·K)，這個值大約比常規熱交換器高1-2個數量級。2023/7/316圖5.1-9傳輸的熱量和單位流量水的熱轉換系數2023/7/317縱向的比較，熱交換器使用不同的材料(銅、不銹鋼)，熱交換性能也有明顯的區別。微型熱交換器應用在要求有高的傳送效率、體積小、質量輕的場合，例如在航空、航天、化工和其他領域。2023/7/3182、微型反應器微型熱交換器更進一步的應用就是用于微型反應器。使用混合器添加其他的元素，混合器的設計與交叉流動的熱交換器相類似，輸出的兩種相互混合的液體之間的距離在1-2mm，圖5.1-10是一個典型的用微機械制造的混合器。從圖中可以清楚地看到，輸出微通道之間彼此排列的角度至少是90o。兩種液體被混合以后，進入一個改進了的熱交換器，通過準確的溫度控制，液體之間可能會發生反應，在反應中會產生大量的反應熱。熱交換器選擇不同的材料，對反應會起到催化加速作用。2023/7/319圖5.1-10混合器（a）V型混合器;（b）微型混合器端面的縮微照片2023/7/320圖5.1-11微型反應器照片下面的兩個通道是輸入通道，其對面的通道是輸出通道，左上角和右上角的通道是熱控制通道2023/7/321圖5.1-11是一個完整的微型反應器，包括兩個介質輸入通道、混合器、反應室和反應產品輸出通道。盡管這個反應器尺寸很小，但是當以5L/min的輸出流量對密度為1g/cm3的液體進行處理時，如果連續生產，則每年可以生產1800t。2023/7/3223、細胞培養的微型容器微機械制造的進一步應用是制造培養生物細胞的微型容器陣列。如圖5.1-12所示，容器的寬度是300μm，深度是l00μm，結構中在底部集成了一塊多孔滲水板，因此，營養能夠從底部滲透到細胞，細胞不會蔓延到相鄰的其他單元。2023/7/323圖5.1-12生物細胞培養的微型容器與加工成型微型容器的壓紋工具（a）生物細胞培養的微型容器，尺寸是300μm×300μm×100μm；（b）加工成型微型容器的壓紋工具2023/7/3244、微型泵圖5.1-13氣體微型泵（a）微型泵照片，外形尺寸10mm×10mm；（b）泵的橫截面2023/7/325圖5.1-13(a)是一個典型的微型泵，執行機構室是密封的(2μm厚的聚酰亞胺膜片)，由一條曲折的導線間歇地加熱。執行機構室的熱空氣膨脹，膜片被椎入泵腔，利用泵腔的壓力關閉進口閥，打開出口閥，執行機構室的介質就被推出去了；當關閉加熱器，執行機構室內的空氣冷卻，膜片從泵室縮回，室內的低壓力打開進口閥，關閉出口閥，泵室內再一次充滿了將被泵出的介質。2023/7/326微型泵基本上由三部分構成，第一部分包括介質入口、出口和執行機構室等；第二部分是集成有彎曲加熱導線的加熱器；第三部分是微型泵的下面部分，這三部分構成了微型泵的泵室。微型泵的上半部分和下半部分由聚砜樹脂注塑成型制得。注塑模具使用金屬微切削加工技術制造，在一個基底上每次可以注塑12個微型泵（見圖5.1-14）。2023/7/327圖5.1-14在一個基底上集成的12個微型泵2023/7/328泵的三個組成部分的安裝首先將上半部分先與膜片粘在一起，方法是通過開口嵌入系統粘結室粘一些粘接劑，粘接劑分布在12個泵的計劃排列位置，這樣12個泵體就同時固定了，然后通過旋轉涂覆的方法將聚酰亞胺膜片制于硅晶片上，再通過光刻和薄膜處理、在執行機構室形成加熱器的圖案，最后將開口閥嵌入膜片，在黏結劑硬化以后，將泵的上半部分注塑成型的零件和膜片從基底上除去；第二步將泵的下半部分成型膜片與結構單元固定，其過程與第一步基本相同；最后分別將各獨立泵的流體連接部分和電氣焊點同定。2023/7/3295、X射線強化屏X射線一般用于醫療診斷，一方面必須獲得盡可能多的信息，另—方面在病入體內沉積的X射線的放射劑量要盡可能的低。由于高靈敏度的強化層能夠減少放射劑量，所以帶有強化層的X射線膠片專門用于X射線診斷，遺憾的是，靈敏度的提高或靈敏材料層厚度的增加將會導致清晰度的降低[見圖5.1-15(a)]。由于冷光具有各向同性的特性，再加上在多晶靈敏層光的散射，一般會在紀錄場產生模糊的斑點。通過加大強化層的厚度能夠增加微結構強化屏的靈敏度，同時能夠避免過多的模糊斑點。如圖5.1-15(b)所示的結構中，冷光被局限在微型腔內，其范圍不會超過微結構的節距。2023/7/330圖5.1-15（a）常規的帶有強化層的X射線記錄膠片，輸入的X射線由發光增強劑轉換成可見光，并使照相膠片曝光；（b）微結構增強劑使光被限制在微型腔內，這樣就保證了在微結構節距范圍內的清晰度2023/7/331圖5.1-16微結構增強劑的橫截面縮微照片，節距尺寸是100μm微結構可以通過熱壓紋加工，而壓紋工具是使用十字交叉V形槽壓入模板制造的，然后在微結構的空穴內填充X射線增強劑，這樣就完成了微結構X射線強化屏的制造[見圖5.1-16]。2023/7/3325.2放電加工(EDM)放電加上或火花腐蝕加工是一種功能強大、多用途的技術。利用這種技術可以加工出三維微結構，可以加工鋼、硬金屬等導電材料，也可以加工陶瓷、硅等材料。EDM適用于刀具制造和樣機零件的高精度加工，從加工性質來看，這種加工技術不適用于大批量生產，但這種技術適合于制造沖模、注塑成型的金屬型芯和熱壓紋模。在幾年前，這種技術在微型制造中的價值已經得到了承認，在此期間也生產了各種各樣的產品，特別是加工了在醫療中需要的三維鈦-鎳合金線。2023/7/3335.2.1放電加工基礎EDM是工具映像到工件的物理過程，由于在工具電極和工件電極之間的放電，發生電腐蝕，物質被蒸發。兩個電極被浸泡在絕緣液中，在兩個電極之間加上一定的電壓，并且相互接近，當超過擊穿電壓時，在電極之間就建立了等離子通道，結果是電極材料被蒸發。這個過程可分成三個基本步驟：開始階段、放電階段和結束階段。2023/7/334在開始階段，產生等離子通道，主電流集中在通道的表面區域，由電子轟擊通道的陽極面，少量的材料被氣化；在放電階段，等離子通道進一步發展，主電流被限制在通道的很小的截面內，由于等離子放電產生的熱能必然使兩個電極一定量的材料被熔化和氣化，在絕緣液中不斷增加的氣泡帶走了金屬蒸氣；在結束階段，電流減小，由于等離子通道和氣泡被破壞，蒸發的材料從兩個電圾之間噴射出來。整個過程依賴于對陽極(工件)材料和陰極(工具)材料腐蝕的不平衡性，否則的話就不可能得到精確的工件形狀。2023/7/335抗腐蝕指標是用來測量工具壽命的，用下面的公式計算：式中，λ為熱傳導率（W·K-1·m-1），c為單位熱量值（J·m-3·K-1），Tm為熔點。2023/7/336高抗腐蝕指標的材料適合于制造EDM工具電極；低抗腐蝕指標的材料最好做工件；表5.2-1中給出了幾種材料，既可以用于工具電極也可用作工件。2023/7/337一般有兩種類型的EDM：電火花成型加工；電火花線切割加工。2023/7/338圖5.2-1EDM加工（a）成型加工；（b）線切割加工2023/7/339圖5.2-1是兩種類型EDM的簡圖，在第一種情況下使用的是預先成型的工具電極，通常由石墨或銅制成，工件電極的形狀以電腐蝕的形式復制到工件上。在第二種情況下，以一條金屬絲為切削工具使工件形成理想的形狀。因為金屬絲也會被腐蝕，在線切割機床上，金屬絲通常由鎢或銅制成，直徑在25-300μm，為保證成型加工的精度，必須保證總是新的金屬絲在切削工件表面。2023/7/340EDM銑削是放電加工的一個變種，在EDM銑削時，工具電極沿X方向、Y方向和Z方向運動，在工件上生成理想的形狀，EDM鉆加工也一樣，用一條導線作為電極，進入工件形成孔(見圖5.2-2)。圖5.2-2EDM加工的兩種基本變形（a）復雜三維形狀的EDM銑制；（b）使用線電極的工件表面小孔加工2023/7/341通常使用礦物油或合成油作為絕緣液，尤其是在線切割微小尺寸時，有時使用去離子水作為絕緣液。在電腐蝕加工中使用絕緣液有三個目的：收縮等離子通道并且因此而提高能量密度；除去腐蝕微粒；電極的冷卻。2023/7/3425.2.2EDM在微系統中的應用如圖5.2-3所示，用直徑為30μm的鎢絲．將一段直徑為500μm的NiTi合金線加工成一個微型夾子，夾子的開口部位是彎曲的，以保證開口處于打開位置，在夾子上套了一段塑料管防止打滑。2023/7/343圖5.2-3微型夾子(a)用線切割加工技術制造微型夾子；（b）直徑為500的超彈性NiTi合金線制成的夾子的縮微照片2023/7/344圖5.2-4是—個使用夾子在醫療導管上安裝顯微透鏡的例子。2023/7/345借助于在腐蝕加工期間電極絲和工件相互之間的相對運動，可以加工出相當復雜的微型結構，如圖5.2-4所示。2023/7/3465.3激光微加工在有些情況下，對于原硅、金剛石、石英、人造金剛石、玻璃、陶瓷和硬金屬等材料采用普通的鉆、銑機械加工方法是很困難的，激光微加工對這些材料的加工是非常方便的；對于像硬度不高的聚合物等軟性材料的加工，使用常規的機械加工手段加工會產生塑形流動，激光卻能對其進行精確的加工，因為激光微加工所施加的力很小；激光微加工也適合于精密和形狀復雜的零件的加工；同時激光微加工還適合于表面的亞微米加工；能夠加工傳統方法難以加工的孔或空腔的形狀和尺寸。2023/7/347激光微加工的原理激光通過使工件表面受熱熔化實現微加工。使用光學系統，將激光束聚焦成直徑只有幾到幾十微米的點，由于材料表面吸收了激光的能量，局部的材料被熔化、蒸發，放電離的和中性的原子被驅散，然后在基底表面形成一個火山口，這個口的形狀取決于加工過程中的激光參數、加工方式、材料特性和使用的氣體。2023/7/348圖5.3-1是使用連續激光或激光脈沖在基底上加工形成孔的示意圖，噴射出來的材料覆蓋在孔的邊緣，氣化的原子和化合物重新沉淀在靠近加工區的表面形成碎片，在熱影響區表面，材料重新結晶，由于緩慢加熱和激光束形狀的影響，孔壁通常是錐形的。圖5.3-1孔的微加工截面2023/7/349圖5.3-2激光微加工設備示意2023/7/350圖5.3-2是一臺典型的激光微加工設備，工件被安裝在X-Y工作臺上，X-Y工作臺帶有用于位置控制的編碼器，激光束聚焦以后照射到工件表面，由于Z向工作臺的移動，可以調整焦點的位置，使焦點保持在最佳位置，使用攝像機監視初始的對準和燒蝕加工。有些激光系統，工件被封閉在充滿活性氣體或惰性保護氣體的密閉容器內。整臺設備安裝在剛性支撐上，以保證激光焦點的穩定和重復定位精度。2023/7/351典型的激光掃描速度是每秒幾厘米，掃描速度主要取決于激光功率、光譜吸收率、熱傳導率和材料的熱容量，激光束每次掃描的燒蝕深度大約是10nm到幾微米。激光微加工系統由計算機控制，計算機程序將CAD/CAM數據轉換成合適的工作臺運動。2023/7/352激光器的種類第一種激光器指各種受激準分子激光器、這種激光器發出波長為351-193nm的紫外線光脈沖，例如KrF激光器；第二種激光器是銣銥鋁(Nd：YAG)激光器，它發出接近紅外線的波長為1067nm的激光，使用時頻率可以被增加至2倍、3倍或4倍；第三種激光器是CO2激光器，發出波長為10.6μm的遠紅外激光；最后一種激光器是連續波方式激光器，例如發出波長為488nm的氬離子激光器，光源產生的能量為10J/cm2。2023/7/3